CN107528460A - 变频器软启动电路和包含该电路的变频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种具有诊断和保护功能的变频器软启动电路以及包含该电路的变频器。按照本发明一个实施例的变频器软启动电路包含：微控制器；软启动电阻器；继电器；温度检测单元；触点状态监测单元，其中，所述微处理器被配置为执行下列操作：如果基于所述温度检测单元的检测信号确定所述软启动电阻器的温度大于第一阈值，或者如果所述监测信号指示所述继电器处于异常状态，则使变频器停止工作。

Description

变频器软启动电路和包含该电路的变频器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种具有诊断和保护功能的变频器软启动电路以及包含该电路的变频器。

背景技术

变频器是应用变频技术，通过改变电机工作频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流滤波单元、逆变单元、驱动单元和控制单元等组成。变频器通过控制内部的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开断，向电机提供所需的电压和频率。

变频器一般内置软启动电路，其被耦合在变频器的整流单元与逆变单元之间以在启动时限制进入直流链路电容器的浪涌电流。这种软启动电路一般包括并联连接的软启动电阻器和继电器，其工作原理是，当变频器启动时，继电器处于断开状态，整流单元的输出电流经软启动电阻器对直流链路电容器充电，此时软启动电阻器起着限流作用；当直流链路电容器的电压达到或者接近直流母线的正常工作电压时，驱动电路将驱动继电器进入触点闭合状态，此时由继电器触点连接直流母线和直流电容，从而维持直流链路电容器供电的连续性。

但是现有技术的软启动电路存在诸多缺点。例如，在软启动过程中，流经软启动电阻器的电流会产生温升，如果温升过大或者软启动电阻器在短时间内反复启动，都有可能导致电阻器受损或烧毁，给后续的变频器启动带来安全隐患。又如，驱动电路或控制单元的故障将使得继电器在软启动过程结束后无法进入触点闭合状态，因此整流单元的输出电流持续流经软启动电阻器，这对于电阻器而言是致命的。再者，如果继电器触点由于磨损、拉弧而永久性地粘连在一起或者在变频器断电重启时继电器仍然处于闭合状态，则软启动电阻器将被旁路，启动过程中的巨大电流将损坏前端的整流单元和后端的直流链路电容器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有诊断和保护功能的变频器软启动电路，其具有实现成本低和可靠性高等优点。

按照本发明一个方面的具有诊断和保护功能的变频器软启动电路包含：

微控制器；

软启动电阻器，其耦合在变频器的整流单元与直流充电电容器之间；

继电器，其触点分别与变频器的整流单元和直流充电电容器耦合；

与所述微控制器耦合的温度检测单元，其被配置为测量所述软启动电阻器的温度；

与所述微控制器耦合的触点状态监测单元，其被配置为根据所述继电器的触点处的电压生成相应的监测信号，所述监测信号指示触点处于正常状态还是异常状态以及处于异常状态时的故障类型，

其中，所述微处理器被配置为执行下列操作：

如果基于所述温度检测单元的检测信号确定所述软启动电阻器的温度大于第一阈值，或者如果所述监测信号指示所述继电器处于异常状态，则使变频器停止工作。

在上述变频器软启动电路中，通过引入针对软启动电阻器的温度检测单元和针对继电器的触点状态监测单元，能够及时诊断各种类型的故障并且作出相应的响应操作。

优选地，在上述变频器软启动电路中，通过断电变频器或者关闭逆变器单元使变频器停止工作。

优选地，在上述变频器软启动电路中，所述微控制器进一步配置为执行下列操作：如果所述变频器软启动电路相邻两次的启动时间间隔小于第二阈值，则禁止所述变频器软启动电路的本次启动。更好地，所述第二阈值由下列方式确定：

τ＝-ln(1-θ_i/θ_p)*ζ

这里τ为所述第二阈值，θ_i为软启动电阻器正常软启动过程期间的温升值，其取值为直流链路电容器能够存储的能量与软启动电阻器的热容量之比，θ_p为软启动电阻器的温升最大允许值，其取值为软启动电阻器的最高允许工作温度与环境温度之差，ζ为热时间常数，其大于零并且能够通过实验确定。在上述优选方式中，通过对两次启动之间时间间隔的监测和引入优化的阈值，既能够防止频繁启动对软启动电阻器造成的损坏，又避免时间间隔过长带来的不便。

优选地，在上述变频器软启动电路中，还包含继电器驱动器，所述微控制器借助所述继电器驱动器将所述继电器置于闭合状态或断开状态。更好地，所述继电器驱动器的控制端同时与所述微控制器的两个输出端口相连以提供冗余机制。在上述优选方式中，通过提供冗余机制能够提高设备的鲁棒性。

优选地，在上述变频器软启动电路中，所述故障类型包括所述继电器处于始终断开状态的故障和处于始终闭合状态。

优选地，在上述变频器软启动电路中，所述触点状态监测单元包含运算放大器，该运算放大器的正相输入端和反相输入端分别与所述继电器的不同触点耦合，所述监测信号为所述运算放大器输出端上输出的信号，所述信号的脉冲数量和幅值指示触点处于正常状态还是异常状态以及处于异常状态时的故障类型。在上述优选方式中，根据信号的脉冲数量和幅值来判断状态以及识别故障类型，这种实施方式具有简单、可靠的优点。

优选地，在上述变频器软启动电路中，所述触点状态监测单元还包含耦合在运算放大器的输出端与所述微控制器之间的光耦合电路。

优选地，在上述变频器软启动电路中，还包含继电器供电电源和与所述微控制器耦合的供电电压监测单元，所述继电器供电电源为从变频器的直流母线取电的开关电源。更好地，所述微控制器还被配置为执行下列操作：根据所述供电电压监测单元的检测信号确定所述直流母线的电压。在上述优选方式中，可利用检测信号间接实现直流母线电压的监测，从而增强继电器低电压故障穿越能力。

本发明的另一个目的是提供一种变频器，其具有实现成本低和可靠性高等优点。

按照本发明一个方面的变频器包含：

整流单元；

逆变器单元；以及

如上所述的变频器软启动电路，耦合在所述整流单元与逆变器单元之间。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：

图1为按照本发明一个实施例的变频器的示意图。

图2为可应用于图1所示变频器的示例性温度检测单元的电路原理图。

图3为图1中所示变频器在软启动过程中的状态参数的曲线图。

图4为可应用于图1所示变频器的示例性触点状态监测单元的电路原理图。

图5为图4所示触点状态监测单元在正常软启动过程中的输出信号波形的曲线图。

图6为可应用于图1所示变频器的示例性供电电压监测单元的电路原理图。

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

以下借助附图具体描述本发明的实施例。

图1为按照本发明一个实施例的变频器的示意图。

图1所示的变频器10包括整流单元110、逆变器单元120以及变频器软启动电路130，其中整流单元110对交流电源输送的交流电(例如图1所示的三相交流电)进行整流变换以得到脉动直流电流，逆变器单元120通过控制内部的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开断，向电机M提供所需的电压和频率。以下对变频器软启动电路作进一步的描述。

参见图1，变频器软启动电路130耦合在整流单元110与逆变器单元120之间，其包括微控制器131、软启动电阻器132、继电器133、继电器驱动器134、电源135、温度检测单元136和触点状态监测单元137。可选地，变频器软启动电路130还包含供电电压监测单元138。

当变频器10启动时，整流单元110的输出电流对直流链路电容器C1、C2充电。此时继电器133应置于断开状态，使得充电电流经软启动电阻器132流入电容器C1、C2，从而避免后者因电流冲击而损坏。当直流链路电容器C1、C2的电压达到或者接近直流母线的正常工作电压时，在微控制器131的控制下，继电器驱动器134驱动继电器133进入触点闭合状态，使得整流单元110的输出电流经由继电器133流向直流母线(图1中以DC+BUS和DC-BUS标识)和直流链路电容器C1、C2，从而维持直流链路电容器供电的连续性。

参见图1，继电器133包括开关K以及线圈L，其中开关与软启动电阻器132并联连接，线圈L的左端与直流恒压源耦合，右端耦合至继电器驱动器134。此外，在线圈L的两端还并联连接反向二极管D1以抑制继电器驱动器关断时引起的瞬时电压。继电器驱动器134包括诸如金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或晶体管之类的开关器件。

电源135优选地为提供恒定电压的开关电源，如图1所示，其一方面从直流母线取电，另一方面经直流总线Vcc向微控制器131、继电器133、温度检测单元136、触点状态监测单元137和供电电压监测单元138供电。

图2为可应用于图1所示变频器的示例性温度检测单元的电路原理图。如图2所示，温度检测单元136包括诸如负温度系数热敏电阻器NTC之类的温度传感器和分压电阻器R3，负温度系数热敏电阻器NTC和分压电阻器R3串联连接在直流总线Vcc与接地之间，检测信号取自二者的共接端并且提供至微控制器131。另外，电容器C3与电阻器R3并联连接以滤除高频干扰信号。在本实施例中，优选地，负温度系数热敏电阻器NTC与软启动电阻器132贴合在一起以实现对后者温度快速、准确的测量。可选地，也可以采用其它类型的温度传感器元件(例如温度传感器芯片)替代图2中所示的负温度系数热敏电阻器NTC。

在本实施例中，由于电源135是从直流母线取电的，因此仅直流链路电容器C1、C2被充电至一定水平之上后，温度检测单元136才输出温度检测信号，也就是说，温度检测单元136仅在变频器运行之后才工作，这对于减少变频器软启动电路130的总体功耗是有利的。

图3为图1中所示变频器在软启动过程中的状态参数的曲线图，其中，最上方的曲线图表示流经软启动电阻器的电流的变化情况，图中的横轴为时间t，纵轴为电流强度I；中间的曲线图表示直流母线上的电压的变化情况，图中的横轴为时间t，纵轴为电压V；最下方的曲线图表示软启动电阻器上的温度的变化情况，图中的横轴为时间t，纵轴为温度T。

如图3所示，在软启动初期，流经软启动电阻器132的电流I迅速增大并且在时刻t1达到峰值I_peak，相应地，直流母线上的电压V和软启动电阻器132上的温度T也从环境温度T_A起快速增大。由于软启动电阻器的限流作用，在t1时刻之后，电流I开始降低，这有效防止电容器C1、C2因充电电流过大而损坏。由于对电容器C1、C2的充电过程仍然在继续，因此直流母线上的电源V仍然在增大，但是增大的速率明显减缓。在时刻t2，软启动过程结束，在微控制器131的控制下，继电器133的触点闭合，此时流经软启动电阻器132的电流I达到或接近最小值I_min，并且直流母线电压达到或接近最大值V_MAX，该值对应于直流母线的正常工作电压。在时刻t1之后，由于仍然有电流流经软启动电阻器并且热量产生速度大于热量散发速度，因此软启动电阻器上的温度仍然继续上升，但是增大速率明显放缓，直到软启动过程结束后的某一时刻(图中的时刻t3)达到峰值T_peak后才开始降低。

如上所述，如果升温过大有可能导致电阻器受损或烧毁，给后续的变频器启动带来安全隐患。因此在本实施例中，微处理器131被配置为执行下列操作：周期性或非周期性地判断与温度检测信号对应的温度值是否大于预设的第一阈值T_MAX；如果确定温度值大于第一阈值T_MAX，则微控制器131可直接或通过其它控制单元使变频器10停止工作。特别是，可以通过停止电网向变频器10供电或者关闭逆变器单元120的方式使变频器停止工作。可选地，在确定温度值大于第一阈值T_MAX时，微控制器131也可借助控制信号使继电器驱动器134的开关元件闭合，此时继电器的线圈L将带电，使得开关K的触点闭合，整流单元110的输出电流将流过继电器的触点而软启动电阻器132被旁路。

软启动电阻器的热量常常无法迅速散发，因此变频器在短时间内的频繁启动有可能使软启动电阻器的温度迅速超出所容许的阈值，导致其损毁。为了避免这种情况的出现，在本实施例中，微控制器131还被配置为执行下列操作：当欲启动变频器时，确定变频器软启动电路本次启动与前次启动之间的时间间隔，如果该时间间隔小于第二阈值，则禁止变频器软启动电路启动，否则，则允许启动。优选地，上述第二阈值按照下式确定：

τ＝-ln(1-θ_i/θ_p)*ζ (1)

这里τ为第二阈值，θ_i为软启动电阻器正常软启动过程期间的温升值，其可以取值为直流链路电容器能够存储的能量与软启动电阻器的热容量之比，θ_p为软启动电阻器的温升最大允许值，其可以取值为软启动电阻器的最高允许工作温度与环境温度之差，ζ为热时间常数，其大于零并且可以通过实验确定。

图4为可应用于图1所示变频器的示例性触点状态监测单元的电路原理图。如图4所示，触点状态监测单元137包括信号放大电路137A和光耦合电路137B。信号放大电路137A包括运算放大器A1以及由电阻器R4-R10和电容器C4-C6构成的外围电路，运算放大器A1的正相输入端和反向输入端分别耦合至继电器133的两个触点，其输出端耦合至光耦合电路137B。光耦合电路137B包含发光二极管D2和光电三极管T1，其中发光二极管D2的阳极经电阻器R9与运算放大器A1的输出端相连，光电三极管T1的集电极经电阻器R10连接至微控制器131。

图5为图4所示触点状态监测单元在正常软启动过程中的输出信号波形的曲线图，其中，最上方的曲线图表示流经软启动电阻器的电流的变化情况，图中的横轴为时间t，纵轴为电流强度I；其下的曲线图表示直流母线上的电压的变化情况，图中的横轴为时间t，纵轴为电压V；随后紧随其下的曲线图表示触点状态检测单元在软启动期间的信号输出波形，图中的横轴为时间t，纵轴为信号幅值A；最下方的曲线图示出了继电器触点闭合的时序。

在变频器软启动正常的情况下，整流单元110通过软启动电阻器132对直流链路电容器进行充电。由于充电时间很短而且继电器133的触点与软启动电阻器132并联，因此在软启动期间，当形成足够大的直流母线电压之后，将在运算放大器A1的输出端产生单个脉冲信号。在该脉冲信号驱动下，发光二极管D2将产生相应的光脉冲信号，经光电三极管T1放大后形成如图5所示的信号波形并被输出至微控制器131。微控制器131可以由此作出当前软启动正常的判断，并且使继电器133的触点保持断开状态直到到达预设时刻(例如图4中的时刻t2)。

如果因为继电器驱动器134中的开关元件(例如驱动三极管和场效应管)失效或者微控制器131故障(例如与图1中的继电器驱动器134耦合的信号端口因干扰信号而被锁存于低电平状态)，则软启动过程后继电器133的触点将无法闭合。在这种情况下，直流母线电流连续流过软启动电阻器132。由于流经的电流为连续脉冲，因此在触点状态监测单元137的运算放大器A1的输出端上也将产生连续脉冲检测信号，该连续脉冲检测信号经光耦合电路137B放大并输出至微控制器131，后者由此可以作出继电器133无法闭合的判断，生成故障报警指示并可直接或通过其它控制单元使变频器10停止工作。特别是，可以通过停止电网向变频器10供电或者关闭逆变器单元120的方式使变频器停止工作。

如果继电器触点由于磨损、拉弧而永久性地粘连在一起或者在变频器断电重启时仍然处于闭合状态，则在软启动期间，软启动电阻器132将被旁路。此时，在触点状态监测单元137的运算放大器A1的输出端上将不会输出脉冲信号，因此微控制器131与触点状态监测单元137相连的端口P1始终处于低电平状态，微控制器131由此可以作出继电器133触点始终处于闭合状态的判断，生成故障报警指示并可直接或通过其它控制单元使变频器10停止工作。特别是，可以通过停止电网向变频器10供电或者关闭逆变器单元120的方式使变频器停止工作。

图6为可应用于图1所示变频器的示例性供电电压监测单元的电路原理图。如图6所示，供电电压监测单元138包括串联连接在直流总线Vcc与接地之间的电阻器R11和R12，检测信号取自二者的共接端并且提供至微控制器131。另外，电容器C7与电阻器R12并联连接以滤除高频干扰信号。

如上所述，供电电源135优选地为开关电源，由此可以根据下式，由供电电压监测单元137测得的电压确定直流母线电压：

U_DC＝V_BUS*N_PRI/(N_SEC*D) (2)

V_BUS＝V_ADC2*(r11+r12)/r11 (3)

这里U_DC为直流母线电压，V_BUS为继电器线圈电压或直流总线Vcc上的电压，N_SEC为供电电源135的变压器二次侧的匝数，N_PRI为供电电源135的变压器原边的匝数，D为开关电源的占空比，V_ADC2为电阻器R11和R12共接端处测得的电压，r11和r12分别为电阻器R11和R12的阻值。

由上可见，通过监测电阻器R11和R12共接端处的电压能够间接确定继电器线圈电压，进而能够实现对直流母线电压的监测，从而可以根据直流母线电压确定对继电器的操作。另一方面，通过直接测量直流母线电压也可以确定继电器线圈的电压，从而判断供电电源135的电源质量。通过对继电器线圈的电压的监测，能够增强继电器低电压故障穿越能力。

虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (11)

1.一种具有诊断和保护功能的变频器软启动电路(130)，其特征在于，包含：

微控制器(131)；

软启动电阻器(132)，其耦合在变频器的整流单元(110)与直流充电电容器(C1,C2)之间；

继电器(133)，其触点分别与变频器(10)的整流单元(110)和直流充电电容器(C1,C2)耦合；

与所述微控制器(131)耦合的温度检测单元(136)，其被配置为测量所述软启动电阻器(132)的温度；

与所述微控制器(131)耦合的触点状态监测单元(137)，其被配置为根据所述继电器(133)的触点处的电压生成相应的监测信号，所述监测信号指示触点处于正常状态还是异常状态以及处于异常状态时的故障类型，

其中，所述微处理器(131)被配置为执行下列操作：

如果基于所述温度检测单元(136)的检测信号确定所述软启动电阻器(132)的温度大于第一阈值(T_MAX)，或者如果所述监测信号指示所述继电器(133)处于异常状态，则使变频器停止工作。

2.如权利要求1所述的变频器软启动电路(130)，其中，通过断电变频器或者关闭逆变器单元(120)使变频器停止工作。

3.如权利要求1所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述微控制器(131)进一步配置为执行下列操作：如果所述变频器软启动电路(130)相邻两次的启动时间间隔小于第二阈值，则禁止所述变频器软启动电路(130)的本次启动。

4.如权利要求3所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述第二阈值由下列方式确定：

τ＝-ln(1-θ_i/θ_p)*ζ

这里τ为所述第二阈值，θ_i为软启动电阻器(132)正常软启动过程期间的温升值，其取值为直流链路电容器(C1,C2)能够存储的能量与软启动电阻器(132)的热容量之比，θ_p为软启动电阻器(132)的温升最大允许值，其取值为软启动电阻器(132)的最高允许工作温度与环境温度之差，ζ为热时间常数，其大于零并且能够通过实验确定。

5.如权利要求1所述的变频器软启动电路(130)，其中，还包含继电器驱动器(134)，所述微控制器(131)借助所述继电器驱动器(134)将所述继电器置于闭合状态或断开状态。

6.如权利要求5所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述继电器驱动器(134)的控制端同时与所述微控制器(131)的两个输出端口相连以提供冗余机制。

7.如权利要求5所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述故障类型包括所述继电器(133)处于始终断开状态的故障和处于始终闭合状态的故障。

8.如权利要求7所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述触点状态监测单元(137)包含运算放大器(A1)，该运算放大器(A1)的正相输入端和反相输入端分别与所述继电器(133)的不同触点耦合，所述监测信号为所述运算放大器(A1)输出端上输出的信号，所述信号的脉冲数量和幅值指示触点处于正常状态还是异常状态以及处于异常状态时的故障类型。

9.如权利要求1所述的变频器软启动电路(130)，其中，还包含继电器供电电源(135)和与所述微控制器(131)耦合的供电电压监测单元(138)，所述继电器供电电源(135)为从变频器(10)的直流母线取电的开关电源。

10.如权利要求9所述的变频器软启动电路(130)，其中，所述微控制器(131)还被配置为执行下列操作：根据所述供电电压监测单元(138)的检测信号确定所述直流总线的电压。

11.一种变频器(10)，包含：

整流单元(110)；

逆变器单元(120)；以及

如权利要求1-10中任一项所述的变频器软启动电路(130)，耦合在所述整流单元(110)与逆变器单元(120)之间。